抗輻射晶體管3DK9DRH的貯存失效分析

摘要：為了找到并糾正抗輻射晶體管3DK9DRH貯存失效的原因，利用外部檢查、電性能測試、檢漏、內部水汽檢測、開封檢查等試驗完成了對晶體管3DK9DRH的一種貯存失效分析。結果表明晶體管存在工藝問題，內部未進行水汽控制，加上內部硫元素過高，長期貯存后內部發生了氧化腐蝕反應，從而導致晶體管功能失效。對此建議廠家對晶體管的生產工藝進行檢查，對水汽和污染物如硫元素等加以控制，及時剔除有缺陷的晶體管。
關鍵詞：失效分析；失效機理；晶體管；輻照加固

0 引言
元器件是電子系統的關鍵部件。隨著人們對電子產品質量可靠性要求的不斷增加，尤其是在航空航天領域、艦船、衛星和計算機等領域，為了不出現因電子元器件失效造成災難性后果，必須開展評價元器件可靠性和提高元器件可靠性的工作，其中電子元器件的失效分析發揮著越來越重要的作用。隨著各種設備被廣泛用于人造衛星、宇宙飛船和核武器等系統中，基本的電子元器件也不可避免的處于空間輻射和核輻射等強輻射環境下，提高器件的抗輻射能力成為設備、系統長壽命的重要要求。輻照能改變材料的微觀結構，導致宏觀尺寸和材料的多種性質變化。在晶體中，輻照產生的各種缺陷一般稱為輻照損傷。輻射會對晶體管造成不同程度的破壞，主要有位移輻射效應和電離輻射效應。位移效應能破壞晶材料的晶格結構及其周期試場，將新的電子能級引入禁帶。電離效應可能引入表面缺陷，在反偏PN結中形成瞬時光電流等。對于雙極性晶體管，位移輻射的影響程度與器件的工作電流、頻率、基區寬度等有關系，電離輻射的一個重要影響是產生的瞬時光電流可能使晶體管的工作狀態翻轉、造成瞬態功能紊亂，嚴重導致晶體管燒毀。因此提高晶體管的抗輻射能力成為人們研究的重點方向。目前雙極性晶體管輻射加固的方法有：采用薄基區、淺結、重摻雜和小面積擴散，采用高摻雜材料，采用抗輻射表面鈍化膜等。
晶體管是固體半導體器件，可以應用于檢波、放大、整流、開關、信號調制、數字邏輯等方面。其中在放大電路中，晶體管是核心元件，它能夠控制能量的轉換，將輸入的任何微小變化不失真地放大輸出。晶體管3DK9DRH是硅材料制成的NPN型三極管，具有抗輻射性，能適應于強輻射環境中。本文通過對晶體管3DK9DRH的一種貯存失效分析，提出了失效產生的原因在于生產時存在工藝問題，晶體管內部未進行水汽控制，加上內部硫元素過高，長時間貯存后，內部發生了氧化腐蝕反應，從而使晶體管功能失效。

1 晶體管貯存失效分析
1．1 失效分析
失效分析是通過判斷失效模式，查找失效原因和機理，提出預防再失效對策的技術活動和管理活動。失效模式就是失效的外在表現形式，失效機理是導致失效的物理、化學、熱力學或其他過程，該過程中應力作用在部件上造成損傷，最終導致系統失效。失效可能發生在研制、生產、測試、試驗、儲存、使用等各個階段。按工作時間來分，失效可分為：早期失效期、偶然失效期、耗損失效期。失效分析可以根據失效現場情況推測出元器件可能的失效機理，通過適當的失效分析方法，快速準備地進行失效分析，并提出糾正措施，防止這種失效模式的再次出現。失效分析的流程如圖1所示。

常用的失效分析技術的方法有：外部目檢、電性能測試、內部分析、失效點定位、物理分析等。外部目檢可以通過肉眼、金相顯微鏡或者掃描電子顯微鏡來檢查失效器件與正常器件的區別。
電性能測試可以測試器件的電特性、直流特性或者進行失效模擬測試。內部分析包括x射線檢測、紅外線顯微分析和聲學掃描顯微分析、殘留氣氛分析、密封性檢查等。失效點定位是利用缺陷隔離技術定位，分析結構和成分來確定失效起因。物理分析是通過對芯片進行一系列物理處理后再觀察和分析失效部件。
通過失效分析，可以為可靠性試驗(加速壽命試驗、篩選)條件提供理論依據和實際分析手段，實施失效分析的糾正措施后提高系統的可靠性，減小系統試驗和運行工作的故障。為了能夠更準確、更快速地診斷產品的失效部位和確定失效機理，目前失效分析的新技術正朝著高空間分辨率、高靈敏度和高頻率的方向發展。
1．2 晶體管貯存失效模式與失效機理
根據目前國際形勢和電子設備系統應用的需求，電子設備必須具有適應長期貯存、隨時可用和能用的特點。
在貯存期間由于受到溫度、濕度或者化學等方面的影響，可能造成晶體管性能退化甚至失效。長期庫房貯存試驗和延壽試驗對失效品的分析表明，元器件失效的主要原因是由于水汽影響，其次是芯片、引線脫落。晶體管屬于半導體分立器件，影響晶體管可靠性的主要是電應力，但在貯存狀態下，晶體管僅僅短時間通電測試，電應力對失效率的影響是次要的，起主要作用的是溫度、濕度、振動、沖擊、霉菌等環境應力的影響。晶體管常見的貯存失效模式及失效機理如表1所示。

在長期貯存條件下，晶體管的芯片和管芯不易失效，因此失效分析的重點應關注與器件工藝有關的失效機理。例如未進行水汽控制的晶體管在長期貯存中，水汽會進入管殼，產生電化學腐蝕，引起內引線鍵合失效或電參數退化。對于晶體管，常用的電參數有：晶體管在飽和區工作時集電極c與發射極e之間的飽和壓Vces、電流放大倍數hfe、發射極開路時集電極c與基極b間的擊穿電壓BVcbo、基極開路時集電極c與發射極e間的擊穿電壓BVceo、基極開路時集電極與發射極間的穿透電流Iceo等。